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Procédé de préparation de sirops de fructose à partir de matières premières végétales contenant de l'inuline
La présente invention a pour objet un procédé de préparation de sirops de fructose à partir de matières premières végétales contenant de l'inuline.
On rappelle que l'inuline est un polyfructane composé d'unités anhydrofructofuranose et d'une unité anhydre glucose terminale, reliées par des liaisons ss-2, 1 ; ces polyfructanes se rencontrent dans certains végétaux. notamment le dahlia (Dahlia sp.). la chicorée (Cichorium intybus) et le topinambour (Helianthus tuberosus) qui sont toutes trois des plantes de la famille des compositae. Les polyfructanes constituent les substances glucidiques de réserve de ces plantes et représentent environ 70 à 80% de la matière sèche de leur appareil végétatif souterrain.
Leur degré de polymérisation est variable selon les espèces. Il est par exemple plus grand dans le cas de la chicorée (25 à 30 unités) que dans le cas du topinambour (5 à 10 unités) ; il varie également, à l'intérieur d'une même espèce, selon le degré de maturité de la plante.
Par hydrolyse acide ou enzymatique. ces polyfructanes peuvent régénérer leur motif de base et fournir par conséquent des sirops riches en fructose ; or on sait que les sirops riches en fructose constituent un produit hautement apprécié dans de nombreuses applications telles que la fabrication du fructose cristallisé et celle de produits diététiques (confitures, jus de fruits et autres) ; ils fournissent par hydrogénation des sirops riches en mannitol et sorbitol.
Les sirops riches en fructose sont traditionnellement obtenus par enrichissement chromatographique de saccharose inverti ou par isomérisation enzymatique de sirops riches en glucose.
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Pour confectionner ces sirops, les matières premières qui se sont imposées sont. pour le saccharose, la canne à sucre ou la betterave sucrière, et pour les sirops riches en glucose, les plantes riches en amidon et notamment le maïs, le blé et la pomme de terre.
Or ces plantes poussent mal ou ne poussent pas du tout sous certains climats ou sur certains sols pauvres. Le topinambour, par contre, est une plante très rustique s'accommodant fort bien de conditions difficiles.
Malheureusement, l'exploitation de cette plante s'est toujours heurtée aux difficultés de tirer parti économiquement de ses réserves glucidiques.
En effet, si, dans le cas des plantes saccharifè- res, on peut isoler facilement à l'état pur le saccharose grâce à sa faible solubilité et sa bonne aptitude à la cristallisation et si, dans le cas des plantes riches en amidon, celui-ci est aisément séparé des protéines, sels minéraux et substances cellulosiques qui l'accompagnent dans la graine ou le tubercule, il en va tout autrement pour l'inuline contenue dans les composite en général et dans le topinambour en particulier.
L'inuline. lorsque sa masse moléculaire est suffisamment élevée, comme c'est le cas dans la racine de chicorée, présente la particularité d'être soluble dans l'eau à chaud et relativement insoluble à froid ; on a donc proposé d'extraire l'inuline en faisant agir de l'eau chaude sur un broyat de racines de chicorée. Après filtration à chaud, les sirops de diffusion ainsi obtenus étaient refroidis pour laisser cristalliser l'inuline.
Celle-ci était alors obtenue sous une forme purifiée, c'est-à-dire débarrassée d'une partie des impuretés organiques et minérales solubles présentes dans les racines.
L'hydrolyse de cette inuline, conduisant à un sirop riche en fructose ne contenant pas trop d'impuretés. est donc relativement facile à purifier.
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Ce procédé, qui est connu sous le nom de procédé de CROOKEWITT, souffre d'inconvénients majeurs, résidant dans le fait - d'une part, que les plantes produisant cette inuline à poids moléculaire élevé et insoluble à froid sont essentiellement la chicorée et le dahlia (le topinam- bour, qui ne possède que peu d'inuline à haut poids moléculaire, ne saurait être traité par cette métho- de), toute l'inuline contenue dans ces plantes ne se trouvant toutefois pas sous forme de polyfructanes de poids moléculaire élevé, mais aussi en partie sous forme de polymères de poids moléculaires faibles qui demeurent solubles dans l'eau froide, le procédé de
CROOKEWITT ne permettant donc pas de récupérer toute l'inuline contenue dans la plante, - d'autre part, que l'inuline qui n'est pas une molécule bien définie, mais un mélange de polymères plus ou moins lourds,
cristallise très mal et, à froid, préci- pite en donnant des granules de forme indéfinie et non pas des cristaux réguliers, l'inuline formant par con- séquent un précipité extrêmement colmatant qui filtre difficilement et qui retient donc beaucoup d'impuretés même après un lavage soigné.
On a donc proposé de purifier l'inuline provenant de plantes riches en inuline, sans l'isoler des sirops de diffusion obtenus par extraction à chaud du broyat de ces plantes.
On a. par exemple (procédé de DUBRUNFAUT). éliminé une partie des impuretés coagulables en traitant par la chaux les sirops de diffusion selon une technique analogue à celle qui est employée en sucrerie et qui est bien connue sous le nom de carbonatation-decarbonatation.
Après filtration, ces sirops d'inuline débarrassés d'une partie des matières coagulables en milieu alcalin sont hydrolysés par traitement à l'acide et à la chaleur puis traités à nouveau par la chaux pour précipiter le
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fructose sous forme de fructosate de calcium. Après filtration et lavage du gâteau de fructosate de calcium ainsi débarrassé de la majeure partie des impuretés organiques et minérales, le fructose est régénéré sous forme de sirop par injection de gaz carbonique dans les bouillies aqueuses de fructosate de calcium, le carbonate de calcium formé étant éliminé par filtration.
Cette méthode qui permet d'obtenir des sirops de fructose d'une pureté satisfaisante, est malheureusement très lourde et conduit à de mauvais rendements car le fructose est facilement dégradé par l'environnement alcalin inhérent au procédé.
On a également tenté d'éliminer les impuretés organiques et minérales extraites en même temps que l'inuline par des traitements de déminéralisation à l'aide de matériaux échangeurs d'ions.
C'est ainsi qu'après hydrolyse des sirops bruts d'inuline et filtration des matières insolubles qu'ils contiennent, ces sirops sont percolés successivement au travers d'un lit de résines cationiques fonctionnant dans le cycle hydrogène, puis au travers d'un lit de résines anioniques fonctionnant dans le cycle hydroxyle.
Ce procédé permet d'obtenir des sirops de fructose très purs mais il présente deux inconvénients : - la charge d'impuretés des hydrolysats d'inuline est si grande qu'il faut d'énormes volumes d'échangeurs d'ions pour purifier de petites quantités de sirop, - la seule régénération des échangeurs d'ions crée une pollution organique et surtout minérale énorme car elle conduit à utiliser et à rejeter dans l'environ- nement sous forme de sels des quantités d'acide et de base au moins équivalentes à la quantité d'impuretés soustraite des hydrolysats.
Pour réduire cette pollution minérale, on a proposé de procéder à l'hydrolyse de l'inuline contenue dans les sirops de diffusion non plus en y ajoutant une quan-
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tité supplémentaire d'acide devant être éliminé après hydrolyse mais en créant cet acide au sein même des sirops de diffusion en remplaçant au moins en partie les cations alcalins qui y sont contenus par des protons, cette substitution s'effectuant commodément à l'aide d'échangeurs de cations.
Cette substitution a certes consisté en une économie importante d'acide et en un soulagement important de la charge de déminéralisation incombant aux résines anioniques de purification mais ne s'est pas révélée décisive pour soulager suffisamment le système de purification par échange d'ions.
De la même façon, les progrès apportés par l'hydrolyse enzymatique qui ne nécessite que l'addition de faibles quantités d'acide et ce. uniquement pour ajuster le pH des sirops de diffusion, n'avaient pas non plus été suffisants pour soulager de façon satisfaisante les systèmes de purification.
On a tenté récemment, pour éviter ce dernier inconvénient, de purifier par ultrafiltration les sirops bruts d'inuline ou leurs hydrolysats (brevet US N* 4.421. 852).
L'élimination des impuretés de faible poids moléculaire (sels minéraux essentiellement) est effectuée par une première ultrafiltration réalisée sur un sirop de diffusion contenant de l'inuline non hydrolysée. A ce stade, l'inuline et les impuretés de poids moléculaire élevé ne franchissent pas la membrane et se retrouvent donc dans le rétentat, qui est ensuite hydrolyse par voie enzymatique, ce qui a pour effet de transformer l'inuline en fructose, glucose et oligosaccharides de faible poids moléculaire. Le rétentat hydrolysé est ensuite soumis à une deuxième ultrafiltration et, à ce stade, les saccharides passent la membrane et se retrouvent dans l'ultrafiltrat tandis que les impuretés de haut poids moléculaire (essentiellement les protéines) ne la franchissent pas.
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Ce procédé de purification, bien que représentant un progrés important en ce qu'il ne consomme pas de réactifs chimiques et qu'il n'engendre donc pas de pollution supplémentaire, ne donne cependant pas entièrement satisfaction car les concentrations en fructose des solutions aqueuses obtenues sont très faibles. La technique employée est également très complexe et elle est difficile à maltriser. De même, la purification réalisée n'est que très partielle.
L'invention a donc pour but de fournir un procédé de préparation de sirops de fructose à partir de matières premières végétales contenant de l'inuline répondant mieux que ceux qui existent déjà aux diverses exigences de la pratique.
Or, la Société Demanderesse a eu le mérite de trouver qu'il est possible de préparer en quantités industrielles. avec un degré de pureté élevé, pendant une période prolongée et à faible coût. des sirops de fructose à partir de plantes contenant de l'inuline, en soumettant à un fractionnement chromatographique un hydrolysat brut d'inuline obtenu à partir de la matière première végétale, ce grâce à quoi la majeure partie des impuretés non gluci- diques contenues dans ledit hydrolysat est éliminée, aucun traitement notamment de régénération et de nettoyage de l'adsorbant utilisé n'étant nécessaire.
Ce résultat est d'autant plus surprenant et inattendu que le fractionnement chromatographique des mélasses --autre matière première végétale--en vue de la récupération du saccharose, conduit à un rapide encrassement des résines utilisées à titre d'adsorbant par l'importante charge protéique et minérale de la matière première entraînant des arrêts pour régénération et nettoyage.
Il s'ensuit que le procédé de préparation de sirops de fructose à partir de matières premières végétales contenant de l'inuline. est caractérisé par le fait que l'hydrolysat obtenu par hydrolyse de l'inuline contenue
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dans la matière première végétale et préalablement extraite de celle-ci, est soumis à un fractionnement chromatographique à l'aide d'un adsorbant.
Cet adsorbant est choisi préférentiellement parmi les résines cationiques réticulées au divinylbenzène (ou DVB) et les zéolithes, ledit adsorbant, dans la mesure où il s'agit d'une résine cationique réticulée au DVB, étant fortement acide et chargé en ions de nature essentiellement alcaline ou alcalino-terreuse de façon à être en équilibre ionique avec la composition de l'hydrolysat traité.
De préférence, la résine cationique est mise en équilibre ionique avec l'hydrolysat traité par mise en contact, préalablement au fractionnement chromatographique, avec une fraction dudit hydrolysat ou une solution saline se rapprochant de la composition saline dudit hydrolysat.
Mises à part les susdites dispositions, l'invention vise encore d'autres aspects dont il sera plus explicitement question ci-après.
Et elle pourra être bien comprise à l'aide du complément de description qui suit et des exemples relatifs à des modes de réalisation avantageux ainsi que des dessins dans lesquels : - les figures 1 et 2 montrent schématiquement deux ins- tallations susceptibles d'être utilisées pour le fractionnement chromatographique prévu par le procédé conforme à l'invention, - la figure 3 est un diagramme montrant deux courbes K et K2 traduisant le fonctionnement de l'installation selon la figure 1.
Se proposant. par conséquent, de préparer des sirops de fructose à partir de matières premières contenant de l'inuline, conformément à l'invention on s'y prend comme suit ou de façon équivalente.
Des racines ou tubercules de végétaux contenant de
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l'inuline, notamment de chicorée ou de topinambour, sont lavés et broyés ou découpés en morceaux d'une taille de 1 à 2 mm de façon à ce que l'inuline puisse en être facilement extraite.
Ces broyats sont avantageusement soumis à un traitement thermique de l'ordre de 20 minutes à 100'C destiné à inactiver les enzymes naturellement présentes dans les plantes et qui pourraient, dans la suite du procédé, donner naissance à des composés colorés ou Åa des produits de transformation du fructose.
L'extraction de l'inuline peut être effectuée ensuite par de l'eau chaude de façon continue ou discontinue, à co-courant ou à contre-courant, l'extraction à contre-courant étant préférée, les installations utilisées étant analogues à celles employées couramment dans l'industrie du sucre et appelées diffuseurs.
Durant l'opération d'extraction, on maintient la température dans le diffuseur à au moins 60'C.
Les pulpes résultant de cette opération peuvent être pressées et séchées pour servir d'aliments aux ruminants.
Les sirops de diffusion qui contiennent la majeure partie (de préférence au moins 80%) de l'inuline comportée par la matière première, peuvent renfermer jusqu'à 15% de matières sèches : on peut les soumettre à un traitement de coagulation à la chaux pour éliminer certaines impuretés.
Les impuretés insolubles sont ensuite éliminées. de préférence par filtration ou centrifugation.
Les sirops de diffusion ainsi traités sont alors hydrolyses.
L'hydrolyse est effectuée de manière connue en soi, par voie chimique ou enzymatique.
Dans le cas de l'hydrolyse par voie chimique, on ajoute un acide, de préférence de l'acide chlorhydrique, pour ajuster le pH des sirops de diffusion à une valeur
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comprise entre 2. 0 et 3, 0 et on porte la température de ces sirops en général à une valeur supérieure à au moins 70. C durant un temps qui peut varier de 5 à 30 minutes environ.
Dans le cas de l'hydrolyse enzymatique, qui peut être continue ou discontinue, on peut utiliser des inulases (connues pour leur aptitude à dégrader l'inuline en fructose) provenant par exemple de Kluyveromyces. de Candida, de Pischia, d'Aspergillus, de Fusarium, de Pencillium, d'Achromobacter, d'Acétobacter.
De préférence, on utilise l'enzyme commercialisée par la Société NOVO sous la marque"NOVOZYME 230".
Dans le cas de cette enzyme, on en utilise généralement une quantité représentant de 1000 à 2000, de préférence de 1300 à 1700 et, plus préférentiellement, de l'ordre de 1500 unités par kg de matières sèches de sirop de diffusion.
Le pH des sirops est ajusté pour l'hydrolyse à environ 4. 5 à 5 et leur température à environ 55*C.
La durée de l'hydrolyse dans ces conditions est généralement de 24 heures.
Quelles que soient l'hydrolyse retenue et la manière dont on la conduit, on la poursuit de préférence jusqu'à l'obtention d'au moins 80% de monosaccharides par rapport aux glucides totaux.
Après hydrolyse. les sirops sont filtrés et concentrés jusqu'à une matière sèche voisine de 40 à 60%.
Ce sont les sirops ainsi concentrés qui sont soumis au fractionnement chromatographique.
Le fractionnement chromatographique peut être effectué de manière connue en soi. de façon discontinue ou continue (à lit mobile simulé) sur des adsorbants choisis parmi les résines cationiques réticulées au DVB, fortement
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acides et chargées en ions de nature essentiellement alcat line ou alcalino-terreuse de façon à être en équilibre ionique avec la composition des hydrolysats d'inuline à
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purifier et qui contiennent essentiellement des ions de cette nature.
On peut également avoir recours à une zéolithe.
Lorsque le fractionnement chromatographique est réalisé en discontinu, on peut avoir recours à l'installation montrée à la figure 1 et décrite à l'exemple 1.
De préférence toutefois, l'étape de fractionnement chromatographique est effectuée en continu, notamment à l'aide de l'installation montrée à la figure 2 et décrite à l'exemple 2. cette installation mettant en oeuvre le procédé décrit dans le brevet US NO 4.422. 881.
De préférence, la résine cationique forte retenue à titre d'agent adsorbant. présente un taux de réticulation de divinylbenzène d'environ 4 à 12%.
Elle est mise en équilibre ionique avantageusement par contact avec une fraction de l'hydrolysat d'inuline à purifier ; puis elle est rincée à l'eau avant le fractionnement chromatographique proprement dit.
On obtient ainsi. d'une part. des sirops de fructose présentant une teneur en impuretés non glucidiques d'environ 1 à environ 10% par rapport à la matière sèche et, d'autre part, un sirop résiduel dont la teneur en sucres est inférieure à 60% sur matières sèches, le complément à 100% étant constitué essentiellement de sels minéraux, de protéines et de matières colorantes.
La composition du sirop résiduel se rapproche de celle d'une mélasse de sucrerie : il peut donc trouver des utilisations dans les mêmes secteurs que les mélasses, à savoir essentiellement les industries de fermentation et d'alimentation du bétail.
En vue de retirer les impuretés restantes, les sirops de fructose ainsi obtenus peuvent ensuite être soumis à un traitement complémentaire de purification, consistant par exemple en une décoloration par du noir animal ou du charbon végétal et/ou une résine adsorbante ainsi qu'en une déminéralisation complémentaire sur
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résines échangeuses de cations et d'anions.
Par concentration à plus de 70% de matières sèches, on obtient des sirops de fructose incolores et inodores.
Les exemples qui suivent illustrent l'invention sans en limiter la portée.
EXEMPLE 1 Fractionnement chromatographique d'un hydrolysat brut d'inuline de chicorée.
Quatre kilogrammes de racines fraîches de chicorée sont broyés en morceaux d'environ 2 mm. Ce broyat est dispersé dans une cuve contenant 6 litres d'eau et est maintenu en suspension par agitation à 80'C durant une heure.
La bouillie obtenue est ensuite filtrée à chaud ; le gâteau de filtration est rincé par 2 litres d'eau à 80'C, puis pressé pour en exprimer le maximum de liquide.
On obtient ainsi environ 10 litres de sirop de diffusion brut contenant 600 g de matières sèches d'hydrates de carbone ainsi qu'environ 150 g de matières sèches d'impuretés essentiellement sous forme de sels minéraux, protéines et matières colorées.
A ce jus de diffusion maintenu à 80'C. on ajoute de la chaux jusqu'à obtenir un pH de 10. 5, puis on y injecte du gaz carbonique pour amener le pH à 8, 0 environ.
Le précipité de carbonate de calcium et de matières organiques coagulées (traitement de carbonatationdécarbonatation) qui se forme, est séparé du jus de diffusion par filtration, notamment sur terres de diatomées.
Le pH de ce jus. qui est limpide mais coloré, est ensuite amené à pH 5, 0 par de l'acide chlorhydrique ; sa température est portée à 550C ; on y introduit ensuite 1200 unités d'inulase de la marque"NOVOZYME 230"commercialisée par NOVO Danemark. L'hydrolyse est poursuivie durant 24 heures ; on concentre ensuite le sirop brut de fructose ainsi obtenu jusqu'à une teneur en matières sèches de 50% environ ; le volume du sirop concentré est
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d'environ 1200 ml.
On le soumet au fractionnement chromatographique dans l'installation montrée figure 1.
Celle-ci comporte une colonne 1 de verre à double enveloppe 2 d'une capacité de 350 ml et de deux mètres de hauteur ; elle est chargée de 350 ml de résine cationique forte montrée en R, vendue sous la dénomination"DUOLITE C 204"par la Société Duolite ; la double enveloppe de la colonne est alimentée en eau thermostatée par l'embout 3, cette eau sortant par l'embout 4, de façon à ce que la température de la résine soit maintenue à 80 C.
La résine est équilibrée par percolation de 3500 ml du sirop de diffusion brut de façon à la saturer en ions positifs contenus dans le sirop ; pour cette percolation, le sirop de diffusion est amené au sommet de la colonne au niveau d'un embout 5 par une canalisation 6 ; par la même canalisation, on amène ensuite de l'eau de rinçage. La percolation et le rinçage s'effectuent à un débit d'environ 3 volumes de liquide par volume de lit de résine et par heure. On utilise pour le rinçage, 1000 ml d'eau. Les liquides sortent de la colonne par un embout 7.
Ce dernier est relié par une canalisation 8 - à un réfractomètre différentiel 9 permettant de mesu- rer l'indice de réfraction du liquide issu de la co- lonne et, par là même, de détecter la présence de matières solubles, et - à un détecteur U. V. montré en 10 fonctionnant à 280 nm de façon à détecter les matières azotées et colo- rées, le réfractomètre 9 et le détecteur 10 étant disposés en série.
La colonne de résine une fois équilibrée est prête pour la séparation par fractionnement chromatographique des impuretés à fort et à faible poids moléculaire contenues dans l'hydrolysat brut d'inuline.
Pour ce faire, on injecte au sommet de la colonne
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1 ml de l'hydrolyat brut concentré dont la densité est 1, 2 ; on élue immédiatement après par de l'eau chaude à un débit de 140 ml/heure tout en maintenant la température de la double enveloppe à 80 C. C'est au bout d'environ 50 minutes qu'apparaît à la sortie de la colonne un é1uat contenant les impuretés non glucidiques (matières solubles) de faible et de fort poids moléculaire : cet éluat est détecté grâce au réfractomètre ; il est recueilli dans un premier récipient 11 vers lequel il est dirigé par un embranchement 8a de la canalisation 8 grâce à un robinet à trois voies 12.
La variation de la teneur en matières sèches de l'éluat en fonction de la quantité x, exprimée en ml, d'éluat recueilli, est matérialisée par une courbe K.. représentant sur le diagramme de la figure 3 la variation Yi (échelle arbitraire) de la lecture, réfractométrique (réfractomètre 9) en fonction de x.
Cette courbe K1 passe par un minimum repéré par Ml et correspondant à la fin de l'élution des impuretés non glucidiques.
Le minimum M. est atteint lorsqu'un volume de 77 ml d'éluat a été recueilli.
Ce volume de 77 ml correspond à une première fraction F. contenant les impuretés non glucidiques.
A partir du minimum M il l'éluat est dirigé après manoeuvre du robinet 12 par une canalisation 8b sur un récipient 13 dans lequel est donc recueillie une seconde fraction F2 constituée par le sirop de fructose recherché.
Cette deuxième fraction est complètement recueillie à partir du moment où la courbe K. a atteint un second minimum M2'
Le volume de cette deuxième fraction est de 63 ml.
La variation Y2 de la densité optique (échelle
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arbitraire) à 280 nm de l'éluat. toujours en fonction de - ¯. la quantité x d'éluat recueilli, mesurée par le détecteur 10, est matérialisée par une courbe K2 montrée sur le dia- 2
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gramme de la figure 3.
La courbe K2 comporte une partie plate d'extrémi- tés a et b correspondant à l'élution des matières colorées (saturation du détecteur) ; la partie d'extrémités c et d de la courbe K2 qui fait suite à la partie a-b correspond à l'élution des protéines (les sels ne sont pas détectés).
Avant fractionnement, le millilitre de sirop soumis au fractionnement (dont la densité est de 1, 2, dont la masse donc de 1, 2 g, et qui, par conséquent, comporte 0, 6g de matières sèches), répond à l'analyse suivante : charge ionique : 1. 12 meq/ml protéines (N x 6. 25) : 31. 2 mg/ml sucres réducteurs : 0, 46 g/ml.
La fraction F1 répond à l'analyse suivante : charge ionique totale : 1, 052 meq protéines (N x 6, 25) charge totale : 31 mg sucres réducteurs : traces.
La fraction F2 répond à l'analyse suivante : charge ionique totale : 0, 056 meq protéines (N x 6. 25) : traces matières glucidiques, charge totale : 460 mg.
Il s'ensuit que la totalité des matières glucidiques se retrouve dans cette fraction, montrant l'efficacité du procédé selon l'invention.
EXEMPLE 2 Fractionnement chromatographique d'un hydrolysat brut d'inuline de topinambour.
Des topinambours sont râpés dans une râpe de marque ALEXANDERWERKE munie d'un outil de 2 mm.
Les râpures obtenues sont traitées à contre-courant par de l'eau chaude à 80'C durant 4 heures en utilisant environ 1250 litres d'eau par tonne de topinambours.
On filtré ensuite la suspension de pulpe ainsi obtenue sur un filtre-presse et on obtient un sirop brut d'inuline contenant 100 g de matières sèches par litre.
Ce sirop est ajusté à pH 4. 7. puis on ajoute 0. 1
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g/1 de l'enzyme"NOVOZYME 230"dont il est question plus haut, après avoir porté la température à 55. C.
On poursuit l'hydrolyse durant 20 heures et on obtient un sirop brut d'inuline hydrolysée dont l'analyse est la suivante : glucose 9 g/l fructose 61. 5 g/l di-et oligosacchandes 4. 5 g/l impuretés (sels minéraux, protéines et matières colorées) 25 g/l.
Ce sirop brut est soumis à une concentration à environ 50% de matières sèches puis à une filtration de sécurité avant de subir un fractionnement chromatographique en continu, avec mise en oeuvre du procédé et de l'installation objets du brevet US 4.422. 881.
Cette installation comporte, comme montré figure 2, huit colonnes ou étages C. à C8 ayant chacune une capacité de 15 litres et garnies chacune d'un adsorbant R identique à celui utilisé dans l'exemple 1.
L'installation comporte de plus - des moyens d'alimentation en parallèle, non montrés. de chacune des colonnes, d'une part, en hydrolysat brut d'inuline et. d'autre part, en eau, - des moyens d'extraction en parallèle, non montrés, de fractions enrichies l'une en matières glucidiques, l'autre en impuretés à éliminer, - des moyens, non montrés, réalisant la communication de la décharge d'une colonne. donnée avec le sommet de la colonne suivante et - autant de dispositifs de fermeture que de colonnes, constitués par des électrovannes et dont l'un est montré en 15 entre les colonnes C3 et C4, ces élec- trovannes étant disposées sur les moyens de communi- cation reliant chaque colonne à la suivante.
Elle comprend également trois pompes volumétriques non montrées dont deux assurent l'alimentation de l'ins-
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tallation respectivement en hydrolysat brut d'inuline et en eau, la troisième étant placée en aval des moyens d'extraction, en parallèle, des fractions enrichies en matières glucidiques recherchées qui sont le plus fortement adsorbées à l'intérieur des colonnes.
Dans cette description simplifiée de l'installation reprise du susdit brevet américain auquel on se reportera utilement pour plus de détails (le brevet français correspondant porte le Ne 79 10563), on n'a décrit que les éléments nécessaires à la compréhension du fonctionnement.
Outre les éléments constitutifs susdits. la figure 2 montre : - les canalisations d'alimentation, respectivement 16 et 17. en hydrolysat brut d'inuline à purifier et en eau d'élution, et - les canalisations, respectivement 18 et 19. d'extrac- tion du sirop de fructose purifié, d'une part. et de la fraction contenant la majorité des impuretés, d'autre part.
De par le calage des électrovannes disposées sur les moyens de communication de chaque colonne avec la suivante (dont seule l'électrovanne 15, qui est fermée. est montrée), on établit dans l'installation une zone I de deux étages englobant les colonnes C4 et Ce. une zone II de trois étages englobant les colonnes Cg à Cg et une zone III de trois étages englobant les colonnes Cl à C3"
Le dispositif de fermeture 15 maintient dans la configuration adoptée, une étanchéité totale entre, d'une part, la zone III et, d'autre part, la zone I.
La zone III est une zone d'exclusion des impuretés à l'extrémité de laquelle (colonne C3 et canalisation 19) sont récupérés successivement un peu de fructose non désorbé, puis les impuretés exclues, essentiellement composées de protéines, matières colorées et sels minéraux.
La zone I est une zone de désorption du sirop de fructose purifié, zone en tête de laquelle (colonne C4 et
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canalisation 17) est introduite l'eau d'élution et en sortie de laquelle (colonne Ce et canalisation 18) est récupéré ledit sirop de fructose purifié.
La zone II est une zone d'enrichissement en fructose.
Le dispositif de fermeture 15 assure le sens du passage de la phase liquide sur l'adsorbant sélectif et évite surtout la contamination du sirop de fructose purifié par des impuretés exclues dont la vitesse de migration au sein de la résine est largement supérieure à celle des sucres.
Dans une première phase, on utilise 1200 litres de l'hydrolysat brut d'inuline non concentré pour équilibrer ioniquement les résines de chromatographie. Cet équilibre ionique est obtenu en percolant les 1200 litres d'hydrolysat à travers les huit colonnes de résine branchées en série à un débit de 120 litres/heure ; ces colonnes sont ensuite rincées à l'eau chaude.
Le reste d'hydrolysat est ensuite concentré à 50% de matières sèches en vue d'être soumis au fractionnement chromatographique.
L'installation est alors, du point de vue des zones 1. II et III. dans la configuraiton décrite ci-dessus,
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la température à l'intérieur des colonnes étant maintenue à 80. C.
Une minuterie, ajustée à 31 minutes 40 secondes assure pour les débits indiqués ci-après une alimentation en eau suffisante pour effectuer la désorption de la quasi-totalité du fructose sur la première colonne de la zone 1 de désorption, et une alimentation en un volume d'hydrolysat brut d'inuline compatible avec le volume d'adsorbant et sa capacité d'adsorption, de façon à obtenir un sirop de fructose purifié ne contenant pas plus de 10% d'impuretés non glucidiques.
La pureté de ce sirop de fructose est ajustée en fixant à une vàleur constante le débit de la pompe non
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montrée servant à l'extraction du sirop de fructose purifié.
La sortie des impuretés exclues, constituées principalement par les protéines, sels minéraux et matières colorées, s'effectue à pression atmosphérique et son débit constant résulte de la différence entre les débits d'alimentation (eau et hydrolysat brut d'inuline) et le débit d'extraction du sirop de fructose purifié.
Le fractionnement chromatographique continu se déroule comme suit : - l'hydrolysat brut d'inuline devant être soumis à la purification est acheminé par la canalisation 16 à un débit de 4, 2 l/h.
- l'eau est amenée par la canalisation 17 à un débit de
32,9 1/h.
- le sirop de fructose purifié est récupéré par la ca- nalisation 18 à un débit de 15 l/h, - les impuretés non glucidiques sont récupérées par la canalisation 19 à un débit de 22, 1 l/h, - toutes les 31 minutes 40 secondes, la minuterie assu- re vers la droite sur le schéma de la figure 2, le déplacement d'un pas. autrement dit d'une colonne, de toutes les positions d'alimentation et d'extraction ainsi que la fermeture de l'électrovanne assurant le sens du cycle en créant un lit mobile simulé.
En d'autres termes, après 31 minutes 40 secondes de fonctionnement à partir de l'état de l'installation qui vient d'être décrit : - l'hydrolysat brut est introduit sur la colonne C.
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- l'eau est introduite sur la colonne Ce.
- le sirop de fructose purifié est récupéré à partir de la colonne Ce. b - les impuretés non glucidiques sont récupérées à par- tir de la colonne C., - les zones I, II et III englobent respectivement les
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colonnes (Ce. Ce), (Cy. Cg. C-.) et (C. Cg, C) et
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- la fermeture entre les zones III et 1 se fait sur la
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communication entre les colonnes C4 et Ce par action- nement de l'électrovanne correspondante.
Après 31 minutes et 40 secondes, un nouveau déplacement vers la droite de toutes les positions est réalisé et ainsi de suite.
Dans ces conditions et après un fonctionnement stable durant une période de deux mois. on obtient les résultats réunis dans le tableau 1 :
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TABLEAU 1
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<tb>
<tb> Teneur <SEP> en <SEP> % <SEP> de <SEP> Charge <SEP> Oligomatières <SEP> sèches <SEP> Densité <SEP> Impuretés <SEP> Sucres <SEP> minérale <SEP> Glucose <SEP> Fructose <SEP> saccharides
<tb> * <SEP> * <SEP> (meq/g) <SEP> ** <SEP> ** <SEP> **
<tb> Hydrolysat
<tb> brut <SEP> d'inuline <SEP> 49 <SEP> 1. <SEP> 203 <SEP> 25 <SEP> 75 <SEP> 2, <SEP> 03 <SEP> 12 <SEP> 82 <SEP> 6
<tb> concentré
<tb> Fraction
<tb> impuretés <SEP> 5. <SEP> 2 <SEP> 1. <SEP> 022 <SEP> 49, <SEP> 3 <SEP> 50. <SEP> 7 <SEP> 3, <SEP> 72 <SEP> 22. <SEP> 5 <SEP> 64 <SEP> 13, <SEP> 5
<tb> Sirop <SEP> de
<tb> fructose <SEP> 8. <SEP> 3 <SEP> 1.
<SEP> 033 <SEP> 3 <SEP> 97 <SEP> 0, <SEP> 48 <SEP> 7 <SEP> 92 <SEP> 1
<tb> purifié
<tb>
* Proportion en 1 par rapport à la quantité totale de matières sèches ** Proportion en 1 par rapport à la quantité totale de sucres.
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Il résulte des valeurs réunies dans le tableau 1 que le sirop de fructose obtenu est d'excellente qualité.
Une partie de ce sirop est ensuite décolorée à l'aide de charbon actif, puis on parfait sa déminéralisation à l'aide d'un lit mélangé de résines échangeuses d'ions anioniques et cationiques.
On concentre ce sirop à 70% de matières sèches.
Le produit final est parfaitement incolore et ne
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présente pas de mauvais goût.
* * *
En suite de quoi et quel que soit le mode de réalisation adopté, on dispose ainsi d'un procédé de préparation de sirops de fructose à partir de matières premières végétales contenant de l'inuline dont les caractéristiques résultent suffisamment de ce qui précède pour qu'il soit inutile d'insister à ce sujet et qui présente, par rapport à ceux qui existent déjà, de nombreux avantages dont - celui de permettre de récupérer par un unique traitement chromatographique d'un hydrolysat brut d'inuline obtenu à partir de la matière première végétale, d'une part, une fraction contenant la majeure partie des sels minéraux et la majeure partie des substances à haut poids moléculaire (colloïdes, protéines, matières colorées) et, d'autre part, une fraction contenant le fructose,
le glucose et des oligosaccharides débarrassés de la plus grande partie des impuretés non glucidiques, - celui de ne pas consommer de réactifs chimiques, - celui d'être plus efficace que les procédés existants, - celui d'utiliser des matériaux (adsorbants) dont l'innocuité et la stabilité sont démontrées et reconnues.
- celui de pouvoir utiliser des installations dont la robustesse et la fiabilité ont été prouvées par l'usage intensif qui en a été fait dans d'autres applications.
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Process for the preparation of fructose syrups from vegetable raw materials containing inulin
The present invention relates to a process for the preparation of fructose syrups from vegetable raw materials containing inulin.
It is recalled that inulin is a polyfructan composed of anhydrofructofuranose units and of an anhydrous terminal glucose unit, linked by ss-2, 1 bonds; these polyfructans are found in certain plants. especially the dahlia (Dahlia sp.). chicory (Cichorium intybus) and Jerusalem artichoke (Helianthus tuberosus) which are all plants of the compositae family. Polyfructans are the carbohydrate substances in these plants and represent around 70 to 80% of the dry matter of their underground vegetative system.
Their degree of polymerization is variable depending on the species. It is for example greater in the case of chicory (25 to 30 units) than in the case of Jerusalem artichoke (5 to 10 units); it also varies, within the same species, according to the degree of maturity of the plant.
By acid or enzymatic hydrolysis. these polyfructans can regenerate their basic motif and therefore provide syrups rich in fructose; however, it is known that syrups rich in fructose constitute a product highly appreciated in numerous applications such as the manufacture of crystallized fructose and that of dietetic products (jams, fruit juices and others); by hydrogenation, they supply syrups rich in mannitol and sorbitol.
Syrups rich in fructose are traditionally obtained by chromatographic enrichment of invert sucrose or by enzymatic isomerization of syrups rich in glucose.
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To make these syrups, the raw materials that are essential are. for sucrose, sugar cane or sugar beet, and for syrups rich in glucose, plants rich in starch and in particular corn, wheat and potato.
However, these plants grow poorly or do not grow at all in certain climates or on certain poor soils. Jerusalem artichoke, on the other hand, is a very hardy plant that can cope well with difficult conditions.
Unfortunately, the exploitation of this plant has always encountered the difficulties of economically taking advantage of its carbohydrate reserves.
In fact, if, in the case of saccharifying plants, sucrose can be easily isolated in the pure state thanks to its low solubility and its good ability to crystallize and if, in the case of plants rich in starch, that -this is easily separated from the proteins, mineral salts and cellulosic substances which accompany it in the seed or the tuber, it is quite different for the inulin contained in the composites in general and in the Jerusalem artichoke in particular.
Inulin. when its molecular mass is sufficiently high, as is the case in chicory root, has the distinction of being soluble in hot water and relatively insoluble in cold; it has therefore been proposed to extract the inulin by making hot water act on a ground material of chicory roots. After hot filtration, the diffusion syrups thus obtained were cooled to allow the inulin to crystallize.
This was then obtained in a purified form, that is to say free of part of the soluble organic and mineral impurities present in the roots.
The hydrolysis of this inulin, leading to a syrup rich in fructose that does not contain too many impurities. is therefore relatively easy to purify.
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This process, which is known as the CROOKEWITT process, suffers from major drawbacks, residing in the fact - on the one hand, that the plants producing this inulin of high molecular weight and insoluble in cold are essentially chicory and dahlia (the topinambour, which has only a small amount of high molecular weight inulin, cannot be treated by this method), all the inulin contained in these plants, however, not being in the form of weight polyfructans high molecular weight, but also partly in the form of low molecular weight polymers which remain soluble in cold water, the process of
CROOKEWITT therefore not allowing to recover all the inulin contained in the plant, - on the other hand, that inulin which is not a well defined molecule, but a mixture of more or less heavy polymers,
crystallizes very badly and, when cold, precipitates, giving granules of indefinite shape and not regular crystals, inulin therefore forming an extremely clogging precipitate which filters with difficulty and which therefore retains many impurities even after careful washing.
It has therefore been proposed to purify the inulin from plants rich in inulin, without isolating it from the diffusion syrups obtained by hot extraction of the ground material from these plants.
We have. for example (DUBRUNFAUT process). eliminated part of the coagulable impurities by treating the diffusion syrups with lime according to a technique analogous to that used in sugar refinery and which is well known under the name of carbonation-decarbonation.
After filtration, these inulin syrups, freed from a portion of the coagulable materials in an alkaline medium, are hydrolyzed by treatment with acid and with heat, then treated again with lime to precipitate the
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fructose in the form of calcium fructosate. After filtration and washing of the calcium fructosate cake thus freed from most of the organic and mineral impurities, the fructose is regenerated in the form of syrup by injection of carbon dioxide into the aqueous slurries of calcium fructosate, the calcium carbonate formed being removed by filtration.
This method which makes it possible to obtain fructose syrups of satisfactory purity, is unfortunately very cumbersome and leads to poor yields because the fructose is easily degraded by the alkaline environment inherent in the process.
Attempts have also been made to remove organic and mineral impurities extracted at the same time as inulin by demineralization treatments using ion exchange materials.
Thus, after hydrolysis of the crude inulin syrups and filtration of the insoluble matter which they contain, these syrups are percolated successively through a bed of cationic resins operating in the hydrogen cycle, then through a bed of anionic resins operating in the hydroxyl ring.
This process makes it possible to obtain very pure fructose syrups but it has two drawbacks: - the charge of impurities of the inulin hydrolysates is so large that it takes enormous volumes of ion exchangers to purify small quantities of syrup, - the only regeneration of the ion exchangers creates enormous organic and especially mineral pollution because it leads to the use and discharge into the environment in the form of salts of at least equivalent quantities of acid and base the amount of impurities subtracted from the hydrolysates.
To reduce this mineral pollution, it has been proposed to carry out the hydrolysis of the inulin contained in the diffusion syrups either by adding a quantity thereof.
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additional amount of acid to be removed after hydrolysis but by creating this acid within diffusion syrups themselves, at least in part replacing the alkali cations contained therein by protons, this substitution being carried out conveniently using 'cation exchangers.
This substitution certainly consisted in a significant saving of acid and in a significant relief of the demineralization charge incumbent on the anionic purification resins but was not found to be decisive for sufficiently relieving the purification system by ion exchange.
In the same way, the progress brought by enzymatic hydrolysis which requires only the addition of small quantities of acid and this. only to adjust the pH of the diffusion syrups, had not been sufficient to relieve the purification systems satisfactorily.
Recently, to avoid this latter drawback, attempts have been made to purify crude inulin syrups or their hydrolysates by ultrafiltration (US Patent No. 4,421,852).
The elimination of low molecular weight impurities (mainly mineral salts) is carried out by a first ultrafiltration carried out on a diffusion syrup containing non-hydrolysed inulin. At this stage, inulin and impurities of high molecular weight do not cross the membrane and are therefore found in the retentate, which is then hydrolyzed enzymatically, which has the effect of transforming inulin into fructose, glucose and low molecular weight oligosaccharides. The hydrolyzed retentate is then subjected to a second ultrafiltration and, at this stage, the saccharides pass through the membrane and are found in the ultrafiltrate while the impurities of high molecular weight (essentially the proteins) do not cross it.
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This purification process, although representing significant progress in that it does not consume chemical reagents and that it therefore does not generate additional pollution, is not however entirely satisfactory since the fructose concentrations of the aqueous solutions obtained are very weak. The technique used is also very complex and it is difficult to master. Similarly, the purification carried out is only very partial.
The object of the invention is therefore to provide a process for the preparation of fructose syrups from vegetable raw materials containing inulin which respond better than those which already exist to the various requirements of the practice.
However, the Applicant Company had the merit of finding that it is possible to prepare in industrial quantities. with a high degree of purity, for an extended period and at low cost. fructose syrups from plants containing inulin, by subjecting to chromatographic fractionation a crude hydrolyzate of inulin obtained from the vegetable raw material, whereby the major part of the non-carbohydrate impurities contained in said hydrolyzate is eliminated, no treatment in particular of regeneration and cleaning of the adsorbent used being necessary.
This result is all the more surprising and unexpected since the chromatographic fractionation of molasses - another vegetable raw material - with a view to recovering sucrose, leads to rapid fouling of the resins used as adsorbent by the high load. protein and mineral of the raw material leading to stops for regeneration and cleaning.
It follows that the process for the preparation of fructose syrups from vegetable raw materials containing inulin. is characterized by the fact that the hydrolyzate obtained by hydrolysis of the inulin contained
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in the vegetable raw material and previously extracted from it, is subjected to chromatographic fractionation using an adsorbent.
This adsorbent is preferably chosen from cationic resins crosslinked with divinylbenzene (or DVB) and zeolites, said adsorbent, insofar as it is a cationic resin crosslinked with DVB, being highly acidic and charged with ions of essentially natural alkaline or alkaline earth so as to be in ionic balance with the composition of the hydrolyzate treated.
Preferably, the cationic resin is brought into ionic equilibrium with the hydrolyzate treated by placing in contact, prior to chromatographic fractionation, with a fraction of said hydrolyzate or a saline solution approaching the saline composition of said hydrolyzate.
Apart from the aforementioned provisions, the invention relates to other aspects which will be more explicitly discussed below.
And it can be well understood with the aid of the additional description which follows and of the examples relating to advantageous embodiments as well as of the drawings in which: FIGS. 1 and 2 schematically show two installations capable of being used for the chromatographic fractionation provided for by the process according to the invention, - Figure 3 is a diagram showing two curves K and K2 reflecting the operation of the installation according to Figure 1.
Volunteering. consequently, to prepare fructose syrups from raw materials containing inulin, in accordance with the invention, this is done as follows or in an equivalent manner.
Roots or tubers of plants containing
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the inulin, in particular chicory or Jerusalem artichoke, is washed and ground or cut into pieces of a size of 1 to 2 mm so that the inulin can be easily extracted therefrom.
These shreds are advantageously subjected to a heat treatment of the order of 20 minutes at 100 ° C. intended to inactivate the enzymes naturally present in plants and which could, in the course of the process, give rise to colored compounds or to products of fructose transformation.
Inulin extraction can then be carried out with hot water continuously or discontinuously, co-current or counter-current, counter-current extraction being preferred, the installations used being analogous to those commonly used in the sugar industry and called diffusers.
During the extraction operation, the temperature in the diffuser is maintained at least 60 ° C.
The pulps resulting from this operation can be pressed and dried to serve as food for ruminants.
Diffusion syrups which contain the major part (preferably at least 80%) of the inulin comprised by the raw material, can contain up to 15% of dry matter: they can be subjected to a treatment of coagulation with lime to remove certain impurities.
The insoluble impurities are then removed. preferably by filtration or centrifugation.
The diffusion syrups thus treated are then hydrolyzed.
The hydrolysis is carried out in a manner known per se, chemically or enzymatically.
In the case of chemical hydrolysis, an acid is added, preferably hydrochloric acid, to adjust the pH of the diffusion syrups to a value
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between 2. 0 and 3.0, and the temperature of these syrups is generally raised to a value greater than at least 70. C for a time which can vary from 5 to 30 minutes approximately.
In the case of enzymatic hydrolysis, which can be continuous or discontinuous, inulases (known for their ability to degrade inulin into fructose) can be used, for example from Kluyveromyces. Candida, Pischia, Aspergillus, Fusarium, Pencillium, Achromobacter, Acetobacter.
Preferably, the enzyme sold by the company NOVO under the brand "NOVOZYME 230" is used.
In the case of this enzyme, use is generally made of an amount representing from 1000 to 2000, preferably from 1300 to 1700 and, more preferably, of the order of 1500 units per kg of dry matter of diffusion syrup.
The pH of the syrups is adjusted for hydrolysis to approximately 4.5 to 5 and their temperature to approximately 55 ° C.
The duration of the hydrolysis under these conditions is generally 24 hours.
Whatever the hydrolysis retained and the manner in which it is carried out, it is preferably continued until at least 80% of monosaccharides are obtained relative to the total carbohydrates.
After hydrolysis. the syrups are filtered and concentrated to a dry matter close to 40 to 60%.
It is the syrups thus concentrated which are subjected to chromatographic fractionation.
Chromatographic fractionation can be carried out in a manner known per se. discontinuously or continuously (simulated moving bed) on adsorbents chosen from cationic resins crosslinked with DVB, strongly
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acids and charged with ions of an essentially alkat line or alkaline earth nature so as to be in ionic balance with the composition of the inulin hydrolysates to
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purify and which basically contain ions of this nature.
We can also use a zeolite.
When the chromatographic fractionation is carried out batchwise, use may be made of the installation shown in FIG. 1 and described in Example 1.
Preferably, however, the chromatographic fractionation step is carried out continuously, in particular using the installation shown in FIG. 2 and described in Example 2. this installation implementing the process described in US patent NO 4.422. 881.
Preferably, the strong cationic resin retained as an adsorbing agent. exhibits a crosslinking rate of divinylbenzene of approximately 4 to 12%.
It is brought into ionic balance advantageously by contact with a fraction of the inulin hydrolyzate to be purified; then it is rinsed with water before the actual chromatographic fractionation.
We get this. Firstly. fructose syrups having a content of non-carbohydrate impurities of about 1 to about 10% relative to the dry matter and, on the other hand, a residual syrup whose sugar content is less than 60% on dry matter, 100% supplement consisting essentially of mineral salts, proteins and coloring matters.
The composition of the residual syrup is similar to that of a sugar molasses: it can therefore find uses in the same sectors as molasses, namely essentially the fermentation and animal feed industries.
In order to remove the remaining impurities, the fructose syrups thus obtained can then be subjected to an additional purification treatment, consisting for example of discoloration with animal black or vegetable charcoal and / or an adsorbent resin as well as a additional demineralization on
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cation and anion exchange resins.
By concentration of more than 70% dry matter, colorless and odorless fructose syrups are obtained.
The examples which follow illustrate the invention without limiting its scope.
EXAMPLE 1 Chromatographic fractionation of a crude chicory inulin hydrolyzate.
Four kilograms of fresh chicory roots are ground into pieces of about 2 mm. This ground material is dispersed in a tank containing 6 liters of water and is kept in suspension by stirring at 80 ° C. for one hour.
The resulting slurry is then filtered hot; the filter cake is rinsed with 2 liters of water at 80 ° C, then pressed to express the maximum amount of liquid.
This gives about 10 liters of raw diffusion syrup containing 600 g of dry matter of carbohydrates as well as about 150 g of dry matter of impurities essentially in the form of mineral salts, proteins and colored matters.
At this diffusion juice maintained at 80'C. lime is added until a pH of 10.5 is obtained, then carbon dioxide is injected into it to bring the pH to approximately 8.0.
The precipitate of calcium carbonate and coagulated organic matter (carbonation-decarbonation treatment) which forms, is separated from the diffusion juice by filtration, in particular on diatomaceous earth.
The pH of this juice. which is clear but colored, is then brought to pH 5.0 by hydrochloric acid; its temperature is brought to 550C; then 1200 units of inulase of the brand "NOVOZYME 230" marketed by NOVO Denmark are introduced therein. The hydrolysis is continued for 24 hours; the crude fructose syrup thus obtained is then concentrated to a dry matter content of approximately 50%; the volume of the concentrated syrup is
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about 1200 ml.
It is subjected to chromatographic fractionation in the installation shown in FIG. 1.
This comprises a column 1 of double-walled glass 2 with a capacity of 350 ml and two meters in height; it is loaded with 350 ml of strong cationic resin shown in R, sold under the name "DUOLITE C 204" by the Duolite Company; the double jacket of the column is supplied with water thermostated by the nozzle 3, this water leaving by the nozzle 4, so that the temperature of the resin is maintained at 80 C.
The resin is balanced by percolation of 3500 ml of the raw diffusion syrup so as to saturate it with positive ions contained in the syrup; for this percolation, the diffusion syrup is brought to the top of the column at a nozzle 5 by a pipe 6; by the same pipe, we then bring rinsing water. The percolation and rinsing are carried out at a flow rate of approximately 3 volumes of liquid per volume of resin bed and per hour. 1000 ml of water are used for rinsing. Liquids exit the column through a nozzle 7.
The latter is connected by a pipe 8 - to a differential refractometer 9 making it possible to measure the refractive index of the liquid coming from the column and, thereby, to detect the presence of soluble materials, and - to a UV detector shown at 10 operating at 280 nm so as to detect nitrogenous and colored materials, the refractometer 9 and the detector 10 being arranged in series.
The resin column, once balanced, is ready for separation by chromatographic fractionation of the high and low molecular weight impurities contained in the crude inulin hydrolyzate.
To do this, we inject at the top of the column
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1 ml of the concentrated crude hydrolyate whose density is 1, 2; immediately eluted with hot water at a flow rate of 140 ml / hour while maintaining the temperature of the jacket at 80 C. It is after about 50 minutes that appears at the outlet of the column an eluate containing non-carbohydrate impurities (soluble materials) of low and high molecular weight: this eluate is detected by means of the refractometer; it is collected in a first container 11 to which it is directed by a branch 8a of the pipe 8 thanks to a three-way tap 12.
The variation in the dry matter content of the eluate as a function of the quantity x, expressed in ml, of eluate collected, is materialized by a curve K. representing on the diagram of FIG. 3 the variation Yi (arbitrary scale ) of the reading, refractometric (refractometer 9) as a function of x.
This curve K1 passes through a minimum marked with M1 and corresponding to the end of the elution of the non-carbohydrate impurities.
The minimum M. is reached when a volume of 77 ml of eluate has been collected.
This volume of 77 ml corresponds to a first fraction F. containing the non-carbohydrate impurities.
From the minimum M, the eluate is directed after operating the tap 12 by a pipe 8b on a container 13 in which is therefore collected a second fraction F2 consisting of the desired fructose syrup.
This second fraction is completely collected from the moment when the curve K. has reached a second minimum M2 '
The volume of this second fraction is 63 ml.
The variation Y2 of the optical density (scale
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arbitrary) at 280 nm from the eluate. always as a function of - ¯. the quantity x of eluate collected, measured by the detector 10, is materialized by a curve K2 shown on the slide 2
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gram of Figure 3.
The curve K2 has a flat part with ends a and b corresponding to the elution of the colored materials (saturation of the detector); the part of ends c and d of the curve K2 which follows part a-b corresponds to the elution of the proteins (the salts are not detected).
Before fractionation, the milliliter of syrup subjected to fractionation (whose density is 1, 2, whose mass therefore 1, 2 g, and which, consequently, comprises 0.6 g of dry matter), responds to the analysis following: ionic charge: 1. 12 meq / ml proteins (N x 6.25): 31. 2 mg / ml reducing sugars: 0.46 g / ml.
The fraction F1 responds to the following analysis: total ionic charge: 1.052 meq proteins (N × 6.25) total charge: 31 mg reducing sugars: traces.
The F2 fraction responds to the following analysis: total ionic charge: 0.056 meq proteins (N × 6.25): traces of carbohydrate matter, total charge: 460 mg.
It follows that all of the carbohydrate materials are found in this fraction, showing the effectiveness of the process according to the invention.
EXAMPLE 2 Chromatographic fractionation of a crude hydrolyzate of Jerusalem artichoke inulin.
Jerusalem artichokes are grated in an ALEXANDERWERKE brand grater fitted with a 2 mm tool.
The grates obtained are treated against the current with hot water at 80 ° C for 4 hours using approximately 1250 liters of water per ton of Jerusalem artichokes.
The pulp suspension thus obtained is then filtered through a filter press and a crude inulin syrup is obtained containing 100 g of dry matter per liter.
This syrup is adjusted to pH 4. 7. then 0.1 is added.
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g / 1 of the enzyme "NOVOZYME 230" mentioned above, after having brought the temperature to 55. C.
The hydrolysis is continued for 20 hours and a crude hydrolyzed inulin syrup is obtained, the analysis of which is as follows: glucose 9 g / l fructose 61. 5 g / l di and oligosaccharides 4. 5 g / l impurities ( mineral salts, proteins and colored matter) 25 g / l.
This raw syrup is subjected to a concentration of approximately 50% dry matter and then to safety filtration before undergoing continuous chromatographic fractionation, with the implementation of the process and the installation which are the subject of US Pat. No. 4,422. 881.
This installation comprises, as shown in FIG. 2, eight columns or stages C. to C8 each having a capacity of 15 liters and each packed with an adsorbent R identical to that used in Example 1.
The installation further comprises - parallel supply means, not shown. of each of the columns, on the one hand, in crude inulin hydrolyzate and. on the other hand, in water, - means of parallel extraction, not shown, of fractions enriched, one with carbohydrates, the other with impurities to be eliminated, - means, not shown, carrying out the communication of the discharge from a column. given with the top of the next column and - as many closing devices as there are columns, constituted by solenoid valves and one of which is shown at 15 between columns C3 and C4, these solenoid valves being arranged on the communication means - cation connecting each column to the next.
It also includes three volumetric pumps not shown, two of which supply the ins
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tallation respectively in crude inulin hydrolyzate and water, the third being placed downstream of the extraction means, in parallel, fractions enriched in desired carbohydrates which are most strongly adsorbed inside the columns.
In this simplified description of the installation taken from the above-mentioned American patent to which reference will usefully be made for more details (the corresponding French patent bears the Ne 79 10563), only the elements necessary for understanding the operation have been described.
In addition to the above constituent elements. FIG. 2 shows: - the supply lines, respectively 16 and 17. in crude inulin hydrolyzate to be purified and in elution water, and - the lines, respectively 18 and 19. for extracting syrup from purified fructose, on the one hand. and the fraction containing the majority of the impurities, on the other hand.
By setting the solenoid valves arranged on the means of communication of each column with the next one (of which only the solenoid valve 15, which is closed. Is shown), a zone I of two stages is established in the installation encompassing the columns C4 And this. a zone II of three stages including the columns Cg to Cg and a zone III of three stages including the columns C1 to C3 "
The closing device 15 maintains in the adopted configuration, a total seal between, on the one hand, zone III and, on the other hand, zone I.
Zone III is an impurity exclusion zone at the end of which (column C3 and line 19) are successively recovered a little non-desorbed fructose, then the excluded impurities, essentially composed of proteins, colored materials and mineral salts.
Zone I is a zone for desorption of the purified fructose syrup, zone at the head of which (column C4 and
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line 17) is introduced elution water and at the outlet of which (column Ce and line 18) is recovered said purified fructose syrup.
Zone II is a fructose enrichment zone.
The closure device 15 ensures the direction of passage of the liquid phase over the selective adsorbent and above all avoids contamination of the purified fructose syrup with excluded impurities whose migration speed within the resin is much higher than that of sugars .
In a first phase, 1200 liters of the crude inulin hydrolyzate not concentrated are used to ionically balance the chromatography resins. This ionic balance is obtained by percolating the 1200 liters of hydrolyzate through the eight columns of resin connected in series at a flow rate of 120 liters / hour; these columns are then rinsed with hot water.
The remainder of the hydrolyzate is then concentrated to 50% dry matter with a view to being subjected to chromatographic fractionation.
The installation is then, from the point of view of zones 1. II and III. in the configuration described above,
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the temperature inside the columns being maintained at 80. C.
A timer, adjusted to 31 minutes 40 seconds ensures for the flow rates indicated below a supply of water sufficient to effect the desorption of almost all of the fructose on the first column of the desorption zone 1, and a supply in one volume crude inulin hydrolyzate compatible with the volume of adsorbent and its adsorption capacity, so as to obtain a purified fructose syrup containing not more than 10% of non-carbohydrate impurities.
The purity of this fructose syrup is adjusted by setting the flow rate of the pump at a constant value.
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shown for the extraction of purified fructose syrup.
The exit of excluded impurities, mainly constituted by proteins, mineral salts and colored matter, takes place at atmospheric pressure and its constant flow results from the difference between the supply flow (water and crude inulin hydrolyzate) and the flow extracting purified fructose syrup.
The continuous chromatographic fractionation takes place as follows: - the crude inulin hydrolyzate to be subjected to purification is conveyed by line 16 at a flow rate of 4.2 l / h.
- the water is brought through line 17 at a rate of
32.9 1 / h.
- the purified fructose syrup is recovered by the pipe 18 at a flow rate of 15 l / h, - the non-carbohydrate impurities are recovered by the pipe 19 at a flow rate of 22, 1 l / h, - every 31 minutes 40 seconds, the timer ensures to the right in the diagram in Figure 2, the movement of one step. in other words a column, all the supply and extraction positions as well as the closing of the solenoid valve ensuring the direction of the cycle by creating a simulated moving bed.
In other words, after 31 minutes 40 seconds of operation from the state of the installation which has just been described: - the raw hydrolyzate is introduced on column C.
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- water is introduced on the Ce column.
- the purified fructose syrup is recovered from the Ce column. b - the non-carbohydrate impurities are recovered from column C., - zones I, II and III respectively include the
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columns (Ce. Ce), (Cy. Cg. C-.) and (C. Cg, C) and
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- the closure between zones III and 1 is done on the
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communication between columns C4 and Ce by actuation of the corresponding solenoid valve.
After 31 minutes and 40 seconds, a new movement to the right of all the positions is carried out and so on.
Under these conditions and after stable operation for a period of two months. the results gathered in table 1 are obtained:
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TABLE 1
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<tb>
<tb> Content <SEP> in <SEP>% <SEP> from <SEP> Charge <SEP> Oligomatières <SEP> dry <SEP> Density <SEP> Impurities <SEP> Sugars <SEP> mineral <SEP> Glucose <SEP> Fructose <SEP> saccharides
<tb> * <SEP> * <SEP> (meq / g) <SEP> ** <SEP> ** <SEP> **
<tb> Hydrolyzate
<tb> raw Inulin <SEP> <SEP> 49 <SEP> 1. <SEP> 203 <SEP> 25 <SEP> 75 <SEP> 2, <SEP> 03 <SEP> 12 <SEP> 82 <SEP> 6
<tb> concentrated
<tb> Fraction
<tb> impurities <SEP> 5. <SEP> 2 <SEP> 1. <SEP> 022 <SEP> 49, <SEP> 3 <SEP> 50. <SEP> 7 <SEP> 3, <SEP> 72 <SEP> 22. <SEP> 5 <SEP> 64 <SEP> 13, <SEP> 5
<tb> Syrup <SEP> from
<tb> fructose <SEP> 8. <SEP> 3 <SEP> 1.
<SEP> 033 <SEP> 3 <SEP> 97 <SEP> 0, <SEP> 48 <SEP> 7 <SEP> 92 <SEP> 1
<tb> purified
<tb>
* Proportion in 1 compared to the total quantity of dry matter ** Proportion in 1 compared to the total quantity of sugars.
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It follows from the values collected in Table 1 that the fructose syrup obtained is of excellent quality.
Part of this syrup is then discolored using activated carbon, then its demineralization is completed using a mixed bed of anionic and cationic ion exchange resins.
This syrup is concentrated to 70% dry matter.
The final product is perfectly colorless and does not
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presents no bad taste.
* * *
Following what and whatever the embodiment adopted, there is thus a process for the preparation of fructose syrups from vegetable raw materials containing inulin, the characteristics of which result sufficiently from the above for it is useless to insist on this subject and which presents, compared to those which already exist, many advantages of which - that of making it possible to recover by a single chromatographic treatment of a crude inulin hydrolyzate obtained from the material first vegetable, on the one hand, a fraction containing the major part of the mineral salts and the major part of the substances with high molecular weight (colloids, proteins, colored matters) and, on the other hand, a fraction containing the fructose,
glucose and oligosaccharides rid of most of the non-carbohydrate impurities, - that of not consuming chemical reagents, - that of being more effective than existing processes, - that of using materials (adsorbents) of which l Safety and stability are demonstrated and recognized.
- that of being able to use installations whose robustness and reliability have been proven by the intensive use which has been made of it in other applications.